CN101070693A - 内置式空气消能减振阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种全新的内置式空气消能减振阻尼器，属于斜拉索减振技术领域。其特征在于：它是由防雨罩、橡胶护层、金属内毂、金属外毂、上连接器、下连接器、气囊、气阀、气压表、钢管支座等组成的斜拉索消能减振系统；斜拉索的有害振动通过橡胶护层和金属内毂传递给气囊，气囊以钢管支座为支撑，提供反方力即阻尼力再作用于斜拉索，从而改变了斜拉索原先的振动模态，实现抑止斜拉索振动的目的；阻尼器阻尼力的大小可根据斜拉索的振动特性进行宽幅调整，其减振效果显著，特别适用于各种大跨径斜拉桥作为斜拉索的减振装置，同时它还具有使用寿命长，易于制造、安装、维护和对斜拉桥的景观影响小等优点。

Description

内置式空气消能减振阻尼器

所属技术领域

本发明涉及一种用于安装在斜拉桥斜拉索或悬索桥吊索上的内置式空气消能减振阻尼器，其主要功能是为了有效地降低处于工作状态中的斜拉索的振动幅度和加速度。

背景技术

以斜拉桥为例，斜拉索是斜拉桥上部箱梁的重要受力金属构件，斜拉索的制作与安装费用一般占斜拉桥总造价的10％～25％，如果斜拉索的正常使用寿命大幅度缩短或意外损坏、将会造成巨大的经济损失和不良的社会影响，所以斜拉索消能减振技术又是斜拉桥的关键应用技术。

斜拉索长期置于外界自然环境之中，要经受日晒雨淋、高温、严寒和昼夜温差的不断考验，其工作条件异常恶劣。特别是斜拉索在风雨荷载和车辆冲击荷载等因素的综合作用下极易产生振动，由振动产生的附加力极易造成斜拉索过度疲劳和外层防护保护层的破坏，所以在大中型斜拉桥斜拉索的设计或使用过程中，应当考虑在斜拉索的适当位置上，选用与安装相应的消能减振阻尼器。斜拉索消能减振阻尼装置(简称“阻尼器”)是安装在斜拉索上的附属机械装置，其主要作用是吸收或转换因各种自然因素导致斜拉索振动而产生的能量，确保斜拉索在设计工况下安全运行。

用于斜拉桥斜拉索消能与减振的阻尼措施主要分为气动措施、辅助(绳)索措施、机械阻尼措施三大类型；其中机械阻尼措施又可分为内置式阻尼装置和外置式阻尼装置二大系列。目前国内外在斜拉桥斜拉索上普遍应用的内置式阻尼装置主要有三种基本形式，它们的共同特点就是利用斜拉索的振动位移，产生与斜拉索振动运动方向相反的阻尼力，反过来再作用于斜拉索，从而达到抑制斜拉索振动的目的；内置式阻尼器的核心部件一般安装在斜拉索和钢管支座之间，不同内置式阻尼器之间的差别，主要在于其产生阻尼力的形式或机械工作原理各不相同。经查阅国内外用于斜拉桥上的内置式消能与减振阻尼器的科研成果或产品的技术资料，现将具有代表性的内置式阻尼器的工作原理和初步调查的使用效果简要介绍如下：

液压式阻尼器(图2)又被称为“油阻尼器”的一般工作原理：该阻尼器主要由连接器、液压部件和钢管支座等组成；液压部件的外壳一般固定在钢管支座上，斜拉索通过连接器与液压部件的金属活塞杆相连，斜拉索的振动位移打破液压部件内部金属活塞两端原先的压力平衡而产生的阻力，即阻尼器为阻尼力，该阻尼力反作用于斜拉索后，即可达到斜拉索减振的目的。液压式阻尼器如果结合传感器、控制器和油泵进行使用的，即称为“主动式阻尼器”或称为“智能型阻尼器”；对于不用外接电源和油泵的阻尼器，一般称其为“被动式阻尼器”或“普通型阻尼器”，液压式阻尼器大多数做成外置式阻尼器。以法国和瑞士等阻尼器专业设备制造商生产与提供的这类产品的特性作为参考，其优点是阻尼力的大小调节较容易，缺点是体积较大影响城市斜拉桥的整体外观。

橡胶式阻尼器(图3)一般工作原理：该阻尼器主要由内外连接器、橡胶柱和钢管支座等组成；橡胶柱的一端通过内连接器与斜拉索相连，另一端通过外连接器与钢管支座相连，斜拉索的振动位移导致橡胶柱的形体发生变化，橡胶柱为保持原始形态对应产生的恢复力即为斜拉索的振动阻尼力。以德国等阻尼器专业设备制造商生产并提供的这类产品的特性作为参考，其优点是结构简单，缺点是阻尼力调整范围小、精度不高。

金属摩擦片式阻尼器(图4)一般工作原理：该阻尼器主要由内外连接器、金属摩擦片和钢管支座等组成；活动的“动金属摩擦片”通过内连接器与斜拉索相连接，固定的“静金属摩擦片”通过外连接器与钢管支座相连接，阻尼器的阻尼力即为“动金属摩擦片”与“静金属摩擦片”的摩阻力，摩阻力的大小是通过安装在静金属摩擦片上的螺杆进行调节的。以瑞士有关阻尼器专业设备制造商生产与提供的这类产品的特性作为参考，其优点是工作比较可靠，缺点是造价昂贵、每次维护时间较长。

外置式阻尼器(图5)一般工作原理：该阻尼器主要由连接器、液压部件和金属机架等组成；液压部件的金属外壳大多数采用螺栓安装固定在金属支架(或称“基座”)上，其活塞杆通过连接器与斜拉索相连，斜拉索的振动通过连接器传导至液压部件，液压部件提供的阻尼力反作用于斜拉索，从而达到减振的目的。外置阻尼器的核心部件通常采用液压部件、也可以选用磁流变部件、或由机械弹簧零件组成。

上述各种阻尼器基本上都是以“点”的形式与斜拉索相连接，不能完全与斜拉索的振动特征相匹配，有的甚至不能达到减振的作用。

发明内容

目前在斜拉桥上较为普遍应用的内置式阻尼器是液压式阻尼器和金属摩擦片式阻尼器，它们都各有其自身独特的机械特性与不足；例如液压式阻尼器，当斜拉索在低频振动时，其阻尼器的阻尼力较小，而振动频率较高或振动加速度较大时，其阻尼器的阻尼力极大，相当于制动；其它如金属摩擦片式阻尼器的阻尼力难以量化；橡胶式阻尼器阻尼力的调整难以与斜拉索的振动位移相匹配；磁流变式阻尼器需要消耗一定电能等。为了克服国内外内置式阻尼器在使用和维护方面的存在不足，本发明提出的是一种全新的不用外接电源的阻尼机械特性与斜拉索振动特性相适应的内置式空气消能减振阻尼器。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：将斜拉索的有害振动通过橡胶护层和金属内毂传递给上连接器、下连接器和气囊，气囊以钢管支座为支撑，提供反方作用力即阻尼力再作用于斜拉索，改变了斜拉索原先的振动模态，从而达到斜拉索的消能减振的目的。橡胶护层安装在金属内毂的内侧，并与金属外毂、上连接器、下连接器和气囊一同安装在斜拉索的设计减振点及设计要求的高度上；金属外毂通过连接螺栓安装在钢管支座的法兰盘上；钢管支座通过螺栓或焊接的方式固定在斜拉桥(钢或砼)桥面上；气阀和气压表能够调节和显示气囊的工作压力；防雨罩通过固定螺钉安装在钢管支座上，防止阻尼器遭到雨水的侵蚀。

本发明提出的内置式空气消能减振阻尼器的基本特性，在斜拉索振动过程中，将挤压并导致其运动方向侧的上连接器和下连接器产生变形，变形量(Δξ)的大小将取决于气囊的充气气压；空气式阻尼器阻尼力的大小与气囊的充气气压和金属内毂、金属外毂的制造长度(L)成正比；气囊的充气气压越大，金属内毂、金属外毂的制造长度(L)越长，即阻尼器的整体阻尼力就越大；气囊的气压可以通过外接充气装置和气阀进行调节，所以内置空气式阻尼器的阻尼力能够按照设计要求或根据现场使用情况进行现场调节，同时能够通过安装在气阀上的气压表准确地显示气囊的工作压力-对应反映出阻尼器的实际阻尼力的大小。

本发明的有益效果是：内置式空气消能减振阻尼器表现出来的局部柔性和整体刚性的独特阻尼特征，能够与斜拉索的固有机械特性和振动特征保持基本一致，实现对斜拉索的各种振动模态产生全方位的阻尼作用，最终达到消能减振的目的。内置式空气消能减振阻尼器的全部材料和器件均可在国内实现采购、加工和制造，其结构简单，安装和使用维护简易，性能可靠和使用寿命长。它不仅打破了国外在大型斜拉索阻尼器技术上的垄断和封锁，也增加了国内大中型斜拉桥选择斜拉索阻尼器的种类。由于可以取代进口的大型斜拉索阻尼装置，所以未来一定能够取得很好的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的剖面构造图。

图2是液压式阻尼器剖面图。

图3是橡胶式阻尼器剖面图。

图4是金属摩擦片式阻尼器剖面图。

图5是外置式阻尼器剖面图。

图1中：1.橡胶护层，2.金属内毂，3.上连接器、4.气囊，5.金属外毂，6.下连接器，7.防雨罩，8.气阀，9.气压表，10.固定螺钉，11.连接螺栓，12.钢管支座。

具体实施方式

在图1所示实施例中，将防雨罩(7)通过固定螺钉(10)安装在钢管支座(12)上；橡胶护层(1)安装在金属内毂(2)的内侧，并一同安装在斜拉索的设计减振点及设计要求的高度上；金属外毂(5)通过连接螺栓(11)安装在钢管支座(12)的法兰盘上；钢管支座(12)采用螺栓或焊接的安装方式固定在斜拉桥(钢或砼)桥面上；上连接器(3)和下连接器(6)分别安装在金属内毂(2)金属外毂(5)之间；气囊(4)安装在金属内毂(2)、金属外毂(5)、上连接器(3)、下连接器(6)围成的空间内；上连接器(3)、下连接器(6)均为橡胶制品；在斜拉索振动过程中，将挤压并导致其运动方向侧的上连接器(3)和下连接器(6)产生变形，变形量(Δξ)的大小将取决于气囊(4)的充气气压；阻尼器阻尼力的大小与气囊(4)的充气气压和金属内毂(2)、金属外毂(5)的制造长度(L)成正比；气囊(4)的气压可以通过外接充气装置和气阀(8)进行现场调节，气囊(4)的充气气压越大，金属内毂(2)、金属外毂(5)的制造长度(L)越长，即阻尼器的整体阻尼力就越大；气阀(8)和气压表(9)与气囊(4)连接，气压表(9)能够显示出气囊(4)的工作压力-对应反映出阻尼器的实际阻尼力的大小，气囊(4)的充气气压一般控制在0.1～15kg/cm²之间；上连接器(3)和下连接器(6)的变形量(Δξ)一般控制在0.5～500mm之间；金属内毂(2)、金属外毂(5)的制造长度(L1)一般不大于20m；钢管支座(12)的制造长度(L2)不大于30m，10cm≤直径≤150cm；内置式空气消能减振阻尼器阻尼力的调整范围：0.5～100kN。

Claims (6)

1、一种内置式空气消能减振阻尼器，其特征在于：它是将橡胶护层(1)安装在金属内毂(2)的内侧，并一同安装在斜拉索的设计减振点及设计要求的高度上；金属外毂(5)通过连接螺栓(11)安装在钢管支座(12)的法兰盘上；钢管支座(12)采用螺栓或焊接的安装方式固定在斜拉桥(钢或砼)桥面上；上连接器(3)和下连接器(6)安装在金属内毂(2)金属外毂(5)之间；气囊(4)安装在金属内毂(2)、金属外毂(5)、上连接器(3)、下连接器(6)围成的空间内；防雨罩(7)通过固定螺钉(10)安装在钢管支座(12)上；气阀(8)和气压表(9)与气囊(4)相连接，并能够调节和显示气囊的工作压力。

2、其特征在于：气囊(4)的充气气压控制范围：0.1～15kg/mm²。

3、其特征在于：上连接器(3)和下连接器(6)均为橡胶制品，其变形量(Δξ)：一般控制在0.5～500mm之间。

4、其特征在于：金属内毂(2)、金属外毂(5)的制造长度(L1)不大于20m。

5、其特征在于：钢管支座(12)的制造长度(L2)不大于30m，10cm≤直径≤150cm。

6、其特征在于：内置式空气消能减振阻尼器阻尼力的调整范围：0.5～100kN。